DE102007020742B3

DE102007020742B3 - Anordnung zum Schalten großer elektrischer Ströme über eine Gasentladung

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Publication number: DE102007020742B3
Application number: DE102007020742A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr. Korobochko; Alexander Keller; Jürgen Dr. Kleinschmidt
Original assignee: Xtreme Technologies GmbH
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2007-04-28
Filing date: 2007-04-28
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2027-04-29
Also published as: US7595594B2; NL2001452A1; JP2008277266A; JP4314309B2; DE102007020742B8; US20080265779A1; NL2001452C2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schalten großer elektrischer Ströme im Wege einer Gasentladung bei hohen Spannungen oder zur Erzeugung von EUV-Strahlung emittierenden Gasentladungsplasma. Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zur Erzeugung eines Hohlkathodenplasmas zu finden, die auch im Hochleistungsbetrieb, d.h. bei hoher mittlerer Leitung einer gepulst erzeugten Gasentladung, eine große Lebensdauer der Kathoden von kurzwellig emittierenden Gasentladungs-Strahlungsquellen und Pseudofunkenschaltern gestattet, wird erfindungsgemäß gelöst, indem die Metallwand (22) zwischen Kathodenhohlraum (21) und Entladungsraum (3) eine Dicke in der Größenordnung im Zentimeterbereich aufweist, so dass die Öffnungen der Metallwand (22) zu relativ langen Kanälen (23) entarten und in die Metallwand (22) im Wesentlichen radial verlaufende Kühlkanäle (24) eingebracht sind, um durch eine effektive Kühlung der Ionenerosion der Metallwand (22) der Hohlkathode (2) zu verringern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schalten großer elektrischer Ströme im Wege einer Gasentladung bei hohen Spannungen oder zur Erzeugung von EUV-Strahlung emittierendem Gasentladungsplasma, enthaltend eine Anode und eine Katode, die beide rotationssymmetrisch hohl geformt sind und durch die im Innern der Anode ein Entladungsraum gebildet ist, wobei die Katode einen Katodenhohlraum zur Vorionisation eines Arbeitsgases aufweist und der Katodenhohlraum vom Entladungsraum durch eine Metallwand mit mehreren räumlich regelmäßig angeordneten Öffnungen zur Einströmung vorionisierten Arbeitsgases in den Entladungsraum abgegrenzt ist. Sie findet insbesondere Anwendung in Gasentladungsanordnungen zur Erzeugung eines EUV-Strahlung emittierenden Plasmas in Strahlungsquellen für die Halbleiterlithographie sowie in Pseudofunkenschaltern.
Speziell Gasentladungsanordnungen zur Erzeugung kurzwelliger Strahlung werden mit elektrisch gepulsten Hochleistungsquellen betrieben. Das sind im einfachsten Fall Kondensatoren, die mittels eines Netzgerätes aufgeladen werden und sich danach beim Schließen eines elektrischen Kontaktes mit geeigneten Schaltern über eine Gasentladungsanordnung entladen. Dabei müssen Spitzenströme bis 50 kA bei Spannungen > 5 kV mit Stromanstiegszeiten von > 1 kA/ns geschaltet werden. Dazu eignen sich sog. Pseudofunkenschalter, wie sie z. B. in US 6,417,604 B1 , US 5,502,356 A , US 5,126,638 A , und US 5,399,941 A beschrieben sind.
Pseudofunkenschalter sind gasgefüllte Entladungsanordnungen mit Elektroden, die eine oder mehrere geometrisch geeignet angeordnete Entladungsöffnungen enthalten. Diese Öffnungen bewirken gerichtete stabile Entladungen. Dabei hat die Verwendung von mehreren Entladungskanälen die Aufgabe, die lokale Stromdichte zu reduzieren. Gasdruck und Elektrodenabstand sind so gewählt, dass der Arbeitspunkt auf der linken Seite der Paschenkurve liegt. Die Katode wird vorzugsweise als Hohlkatode gestaltet, wobei eine oder mehrere Triggeröffnungen in einer Katodenzwischenwand das Zünden eines Hohlkatodenplasmas ermöglichen.
Bei Abstraktion auf das physikalische Funktionsprinzip kann man erkennen, dass sich Pseudofunkenschalter im Wesentlichen nur dadurch von Gasentladungs- Strahlungsquellen unterscheiden, dass letztere eine zusätzliche Anodenöffnung zur Strahlungsemission aufweisen. Verbesserungen des Hohlkatodendesigns können somit in beiden Anwendungsfällen eine längere Funktionsfähigkeit (Lebensdauer) bewirken.
Die herkömmlichen Anordnungen von Gasentladungs-Strahlungsquellen und Pseudofunkenschaltern weisen zwei wesentliche Nachteile auf, die die Lebensdauer der strombelasteten Elektroden erheblich einschränken:

a) Die Geometrie bekannter Pseudofunkenschalter bzw. Strahlungsquellen auf Basis von Hohlkatoden-Gasentladungen lässt eine Hochleistungskühlung der Katode nicht zu. Der Hochleistungsbetrieb solcher Schalter (Folgefrequenzen > 4 kHz) erfordert aber die Ableitung einer mittlere Wärmeleistung von einigen 10 kW.
b) Die Dicke der Metallwand, die den Entladungsraum vom Katodenhohlraum trennt, beträgt üblicherweise ca. 1–3 mm. Dadurch ist – begünstigt durch die schlechte Wärmeabfuhr – die Lebensdauer der Katode streng limitiert.

Als Ursache für die geringe Lebensdauer der Katode ist die funktionswichtige Metallwand zwischen Hohlkatodenraum und dem Hauptentladungsraum leicht zu erkennen, weil sie durch die Ionenerosion am schnellsten funktionsbeeinträchtigend abgetragen wird und andererseits für eine erosionsmindernde Hochleistungskühlung einfach zu dünn ist. Eine Erhöhung der Wandstärke, die offensichtlich die Standzeit der Wand gegen Erosion wesentlich verlängern würde, zieht jedoch infolge der erheblich verlängerten Entladungslöcher in der Katodenwand eine Änderung des Entladungsverhaltens nach sich.
Im Gegensatz zur üblichen Hohlkatodenstruktur, bei der die Katodenwand – wie z. B. in der US 2006/0138960 A1 beschrieben – „siebähnlich" mehrere regelmäßig angeordnete Öffnungen aufweist, verschlechtern sich bei vergrößerter Katodenwandstärke infolge der relativ langen Durchlassöffnungen die im Entladungsraum realisierbaren Stromstärken der einzelnen Gasentladungspfade, so dass das Hohlkatodenplasma nicht mehr wie bisher zu der gewünschten stabilen Gasentladung im Entladungsraum führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Erzeugung eines Hohlkatodenplasmas zu finden, die auch im Hochleistungsbetrieb, d. h. bei hoher mittlerer Leistung der gepulst erzeugten Gasentladung, eine größere Lebensdauer der Katoden von Pseudofunkenschaltern und kurzwellig emittierenden Gasentladungs-Strahlungsquellen gestattet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung zum Schalten großer elektrischer Ströme im Wege einer Gasentladung zur Erzeugung von EUV-Strahlung emittierendem Gasentladungsplasma, enthaltend eine Anode und eine Katode, die beide rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse hohl geformt sind und durch die im Innern der Anode ein Entladungsraum gebildet ist, wobei die Katode einen Katodenhohlraum zur Vorionisation eines Arbeitsgases aufweist und der Katodenhohlraum vom Entladungsraum durch eine Metallwand mit mehreren räumlich regelmäßig angeordneten Öffnungen zur Einströmung vorionisierten Arbeitsgases in den Entladungsraum abgegrenzt ist, um durch die Öffnungen räumlich verteilte Fußpunkte von Gasentladungspfaden für einen hohen Stromfluss durch den Entladungsraum zu schaffen, dadurch gelöst, dass die Metallwand zwischen Katodenhohlraum und Entladungsraum eine Dicke von ≥ 1 cm aufweist, so dass die Öffnungen der Metallwand zu Einströmungskanälen entarten, deren Kanalenden zum Entladungsraum auf einen gemeinsamen Schnittpunkt im Entladungsraum gerichtet sind, und dass in die Metallwand im Wesentlichen radial verlaufende Kühlkanäle eingebracht sind, um durch eine effektive Kühlung eine Ionenerosion der Katode zu verringern.
Vorteilhaft sind die Öffnungen der Einströmungskanäle zum Entladungsraum an der gewölbten Metallwand auf mindestens einer konzentrisch entlang der Symmetrieachse von Anode und Hohlkatode angeordneten Kreislinie gleichverteilt angeordnet.
Des Weiteren weisen die Einströmungskanäle in der Metallwand mindestens innerhalb eines im gemeinsamen Schnittpunkt konvergierenden Abschnitts, der einen in den Entladungsraum einmündenden Entladungskanal darstellt, einen einheitlichen, gegenüber der Länge der Einströmungskanäle wesentlich kleineren Durchmesser auf.
In einer unter Herstellungsaspekten besonders vorteilhaften Ausführung sind die Einströmungskanäle jeweils aus kollinearen Eingangsabschnitten und im Entladungsraum konvergierenden Entladungskanälen zusammengefügt, wobei die kollinearen Eingangsabschnitte vom Katodenhohlraum ausgehen und in konvergierende Entladungskanäle übergehen.
Dabei weisen die kollinearen Eingangsabschnitte, im Katodenhohlraum beginnend, einen größeren Durchmesser als die konvergierenden Entladungskanäle zum Entladungsraum auf, wobei nur die konvergierenden Entladungskanäle mit einem definierten Verhältnis von Durchmesser und Länge ausgebildet sind.
Das Verhältnis von Durchmesser und Länge der Entladungskanäle beträgt vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,15.
Des Weiteren wird die Aufgabe bei einer Anordnung zum Schalten großer elektrischer Ströme im Wege einer Gasentladung in Pseudofunkenschaltern, enthaltend eine Anode und eine Katode, die beide rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse hohl geformt sind und durch die im Innern der Anode ein Entladungsraum gebildet ist, wobei die Katode einen Katodenhohlraum zur Vorionisation eines Arbeitsgases aufweist und der Katodenhohlraum vom Entladungsraum durch eine Metallwand mit mehreren räumlich regelmäßig angeordneten Öffnungen zur Einströmung vorionisierten Arbeitsgases in den Entladungsraum abgegrenzt ist, um durch die Öffnungen räumlich verteilte Fußpunkte von Gasentladungspfaden für einen hohen Stromfluss durch den Entladungsraum zu schaffen, dadurch gelöst, dass die Metallwand zwischen Katodenhohlraum und Entladungsraum eine Dicke von ≥ 1 cm aufweist, so dass die Öffnungen der Metallwand zu Einströmungskanälen entarten, deren Kanalenden zum Entladungsraum kollinear bis divergent ausgerichtet sind, um die durch die Einströmungskanäle im Entladungsraum erzeugten Gasentladungspfade als streng gerichtete Plasmakanäle räumlich zu verteilen, und dass in der Metallwand im Wesentlichen radial verlaufende Kühlkanäle eingebracht sind, um durch effektive Kühlung die Ionenerosion der Metallwand der Hohlkatode zu verringern.
Dabei sind die Öffnungen der Einströmungskanäle zum Entladungsraum an der Metallwand auf mindestens einer konzentrisch zur Symmetrieachse von Anode und Katode angeordneten Kreislinie gleichverteilt angeordnet.
Vorteilhaft weisen die Einströmungskanäle in der Metallwand mindestens innerhalb eines definierten Abschnitts, der einen in den Entladungsraum einmündenden Entladungskanal darstellt, einen einheitlichen, gegenüber der Länge wesentlich kleineren Durchmesser auf.
Bei einer besonders dicken Metallwand oder bei divergenten Einströmrichtungen in den Entladungsraum sind die Einströmungskanäle zweckmäßig jeweils aus kollinearen Kanalabschnitten und divergierenden Kanalabschnitten zusammengefügt, wobei die kollinearen Eingangsabschnitte vom Katodenhohlraum ausgehen und in zum Entladungsraum hin divergierende Entladungskanäle übergehen. Dabei weisen die im Katodenhohlraum beginnenden kollinearen Eingangsabschnitte einen größeren Durchmesser als die divergierenden Entladungskanäle zum Entladungsraum auf, wobei nur die divergierenden Entladungskanäle mit einem definierten Verhältnis von Durchmesser und Länge ausgebildet sind. Sowohl bei einheitlichen als auch bei zusammengesetzten Einströmungskanälen beträgt das Verhältnis von Durchmesser und Länge der Entladungskanäle vorteilhaft zwischen 0,1 und 0,15.
Für beide Grundanordnungen zum Schalten großer elektrischer Ströme über eine Gasentladung sind zur Verminderung der Ionenerosion der Metallwand zwischen Hohlkatodenraum und Entladungsraum die Kühlkanäle vorteilhaft jeweils mittig zwischen den Einströmungskanälen angeordnet und kreuzen sich in der Symmetrieachse der Hohlkatode, wobei die Kühlmittelzuführung und die Kühlmittelabführung jeweils halbkreisförmig gegenüberliegend ausgebildet sind.
Dazu sind die Kühlmittelzuführung und die Kühlmittelabführung vorzugsweise als gegenüberliegende, von der rückwärtigen Katodenstirnfläche entlang einer Zylindermantelfläche ausgenommene Nuten ausgebildet.
Vorteilhaft ist jeder Einströmungskanal für die Einströmung des ionisierten Arbeitsgases von paarweise symmetrisch angeordneten Kühlkanälen eingeschlossen, wobei sich die Mittelachsen aller solcher Kühlkanalpaare in der Symmetrieachse der Hohlkatode schneiden. Vorzugsweise sind die Kühlkanäle eines Kühlkanalpaares parallel zueinander in die Metallwand eingebracht.
Die Katode wird zweckmäßig vollständig aus einem hochschmelzenden Metall, wie Wolfram oder Molybdän, gefertigt oder kann vorteilhaft aus einem Katodengrundkörper und einem Elektrodenkragen zusammengesetzt sein, wobei nur der Elektrodenkragen aus dem hochschmelzenden Metall besteht und der Katodengrundkörper aus einem Metall hoher thermischer Leitfähigkeit, vorzugsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung, gefertigt ist. Dabei verläuft die Grenzfläche zwischen gut wärmeleitendem und hochschmelzendem Metall zweckmäßig innerhalb der Metallwand der Katode.
Die Kühlkanäle können vorteilhaft sowohl innerhalb des Katodenkragens als auch innerhalb des Katodengrundkörpers angeordnet sein.
Mit der Erfindung ist es möglich, eine Anordnung zur Erzeugung eines Hohlkatodenplasma zu realisieren, die auch im Hochleistungsbetrieb, d. h. bei hoher mittlerer Leistung der gepulst erzeugten Gasentladung, eine vergleichsweise hohe Lebensdauer der Katoden von kurzwellig emittierenden Gasentladungs-Strahlungsquellen und Pseudofunkenschaltern gestattet.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine Prinzipansicht der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der die Wand zwischen Katodenhohlraum und Hauptentladungsraum deutlich verstärkt ist, um ein Kühlsystem aufzunehmen,
2: eine spezielle Ausführung des Kühlsystems der Hohlkatode mit sich kreuzenden parallelen Doppelkanälen, dargestellt im Querschnitt (A-A) durch die Hohlkatodenzwischenwand und im Axialschnitt (B-B) der Hohlkatode,
3: eine Ausführung der Erfindung als Pseudofunkenschalter mit vereinfachtem Kühlkanalsystem, dargestellt in Analogie zu 2.
Die Anordnung zum Schalten hoher elektrischer Ströme, die zur Hochleistungsstromschaltung oder zur Erzeugung von EUV-Strahlung geeignet ist, weist – wie in 1 gezeigt – eine Anode 1, die einen Anodeninnenraum 11 rotationssymmetrisch umschließt und in üblicher Weise von einem Anodenkühlsystem 12 temperiert wird, sowie eine Katode in Form einer Hohlkatode 2 auf, wobei der Katodenhohlraum 21 von einem im Anodeninnenraum 11 gebildeten Entladungsraum 3 durch eine Metallwand 22 abgeteilt ist. Die Metallwand 22 hat eine Dicke im Zentimeterbereich (vorzugsweise im Bereich ≥ 1 cm) und besteht wegen der hohen thermischen Belastung (zumindest an der zum Entladungsraum 3 zeigenden Oberfläche) aus einem hochschmelzenden Material, wie z. B. Wolfram oder Molybdän.
Die Gasentladungsanordnung ist peripher mit einer Vorionisationseinheit 4, die im Katodenhohlraum 21 der Hohlkatode 2 angeordnet ist, einem Vorionisationsgenerator 5 und einem Hauptentladungsimpulsgenerator 6 verbunden. Eine Gasbereitstellungseinheit 7 sorgt für die Zufuhr eines Arbeitsgases in den Katodenhohlraum 21, vorzugsweise über die Vorionisationseinheit 4 und ein Vakuumsystem 8 stellt mindestens für den Entladungsraum 3 oder auch für die Umgebung der gesamten Elektrodenanordnung ein ausreichendes Vakuum her.
Zum Einströmen von im Katodenhohlraum 21 ionisiertem Arbeitsgas sind in der Metallwand 22 Einströmungskanäle 23 vom Katodenhohlraum 21 zum Entladungsraum 3 vorhanden, die in der Metallwand 22 gleichverteilt, vorzugsweise symmetrisch um die Symmetrieachse 13, angeordnet sind, um bei der Hauptentladung innerhalb des Entladungsraumes 3 eine möglichst symmetrische Verteilung der Fußpunkte F für den Stromaustritt aus der Hohlkatode 2 in den Entladungsraum 3 zu schaffen.
Für eine optimale Entladung im Entladungsraum 3, bei der sich Plasmakanäle 31 aus gerichtet einströmendem ionisiertem Arbeitsgas ausbilden, wird bei den in der Metallwand 22 vorhandenen Einströmungskanälen 23 mindestens in einem Teilabschnitt ein definiert kleines Verhältnis von Durchmesser D und Länge L von etwa 0,1 ... 0,15 eingestellt. Dieses Maß der Einströmungskanäle 23 ist nur für den Kanalabschnitt zwingend einzuhalten, der als Entladungskanal 231 die jeweilige Ausströmrichtung des ionisierten Arbeitsgases im Entladungsraum 3 bestimmt und durch die darin initialisierte (beginnende) Gasentladung die Ausbildung der gerichteten „Plasmakanäle" 31 im Entladungsraum vorgibt. D. h. das Verhältnis der Maße D und L betrifft nur den im Entladungsraum 3 ausgerichteten Entladungskanal(-abschnitt) 231. Die im Hohlkatodenraum beginnenden „dickeren" kollinearen Eingangsabschnitte 232 der Einströmungskanäle 23 (vorzugsweise als kollineare Bohrungen ausgeführt) sind funktional noch dem Katodenhohlraum 21 zuzurechnen. Diese Eingangsabschnitte 232 werden an den entsprechenden Stellen zur Verbindung des Katodenhohlraums 21 mit den Entladungskanälen 231 gestaltet, um – bei festgelegter Lage und Länge L der Entladungskanäle 231 – die Metallwand 22 für die Einbringung der Kühlleitungen 24 beliebig dick (z. B. auch > 1 cm) ausbilden zu können.
Die so gestaltete Metallwand 22 zwischen Katodenhohlraum 21 und Entladungsraum 3 bewirkt mit einer Dicke d im Zentimeterbereich eine erheblich größere Standzeit gegen Erosion durch Ionen, die während der Hauptentladung entstehen, und hat den Vorteil, dass in eine solche Metallwand 22 geeignete Kühlkanalgeometrien eingebracht werden können, die Metallwanddicken von 3 cm im Dauerbetrieb erfolgreich erosionsgemindert bestehen lassen. Die im Stand der Technik üblichen Wandöffnungen sind gemäß der Erfindung je nach Dicke der Metallwand 22 zu mehr oder weniger langen Kanälen 23 entartet.
Die Metallwand 22 zwischen Entladungsraum 3 und Hohlkatodenraum 21 dicker zu gestalten, soll vorrangig dem Zweck dienen, für eine bekannte Erosionsrate (~1 g Katodenmaterial/10⁸ Entladungen) ausreichend Material zur Verfügung zu haben. Diese Maßnahme kann aber zugleich eine vorher nicht verfügbare Materialstärke für eine direkte Kühlung durch Kühlkanäle 24 innerhalb der Metallwand 22 schaffen.
Erste Experimente mit dieser Hohlkatodenform mit dicker Metallwand 22 zeigten jedoch einen deutlich verringerten Stromfluss durch den Entladungsraum 3.
Als Ursache dafür wurde überraschend gefunden, dass sich die Entladungskanäle 23 in der Metallwand 22 der Hohlkatode 2 ähnlich wie einzelne rohrförmige Hohlkatoden ohne Zwischenwand bei stirnseitig angeordneter Flächenanode verhalten. Für letztere Konfiguration hat NIKULIN (z. B. in: Tech. Phys. 44 6 (1999), 641) Ergebnisse umfangreicher Prinzipversuche veröffentlicht, bei denen als Bedingung für ein optimales Entladungsverhalten ein bestimmtes Verhältnis von Durchmesser und Länge einer rohrförmigen Katodenform angegeben wurde.
An der erfindungsgemäßen Katodenform konnte nachgewiesen werden, dass für Hohlkatoden 2 mit zwischengelagerter Metallwand 22, wenn diese mit einer Dicke d im Zentimeterbereich ausgebildet wird, sich innerhalb des Entladungsraumes 3 ein anderer Entladungstyp einstellt, der von einer (durch definierte Fußpunkte F an den Öffnungen in der Metallwand 22) räumlich verteilten Entladungsform zu einer definierten Anzahl von stabilen, streng ausgerichteten Kanalentladungen (Plasmakanäle 31) aus separat zu betrachtenden langen röhrenförmigen Hohlkatoden (ohne Zwischenwand) entartet. Auf Basis der von NIKULIN angegebenen Röhrendimensionierung für die „freie Hohlkatode" wurde eine Anpassung der Entladungsbedingungen für ein durch lange Einströmungskanäle 23 erzeugtes Hohlkatodenplasma gefunden, bei der innerhalb des Entladungsraumes 3 durch präzise räumliche Ausrichtung von definiert dimensionierten Entladungskanälen 231 ein hoher (gepulster) Stromfluss über eine definierte Anzahl sich sehr stabil ausbildender Plasmakanäle 31 erzielt wird.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit – insbesondere wegen abweichender Gestaltung bei Pseudofunkenschaltern (s. 3) – sind die definiert dimensionierten Abschnitte der Einströmungskanäle 23, d. h. die Entladungskanäle 231, bei einer Anordnung zur EUV-Strahlungserzeugung in 1 auf einen gemeinsamen Schnittpunkt S gerichtet, um das bei der Entladung infolge der strominduzierten Magnetfeldbildung kontrahierende Plasma für eine hohe Strahlungsausbeute im Spektralbereich der weichen Röntgenstrahlung (EUV) von vornherein zu fokussieren. (Für Pseudofunkenschalter wird an dieser Stelle vorrangig eine weite räumliche Verteilung im Entladungsraum 3 gemäß 3 angestrebt, um die thermische Aufheizung zu minimieren.)
Bei einer Elektrodenanordnung gemäß 1 kann das Verhältnis zwischen Durchmesser D und Länge L der Entladungskanäle 231 zur Plasmaerzeugung im Schnittpunkt S des Entladungsraumes 3 sowohl mit als auch ohne die Vorionisierungseinheit 4 im Katodenhohlraum 21 optimiert werden.
Zur Erzeugung des dichten heißen (strahlenden) Plasmas sind – wie in 1 dargestellt – die Einströmungskanäle 23 abgewinkelt, um sie auf den gemeinsamen Schnittpunkt S in der Symmetrieachse 13 des Entladungsraumes 3 zu richten. Sie bestehen folglich aus unterschiedlichen Abschnitten, von denen ein kollinearer Abschnitt 232 vom Katodenhohlraum 21 parallel zur Symmetrieachse 13 in die Metallwand 22 getrieben (vorzugsweise gebohrt) ist, und ein konvergierender Abschnitt als Entladungskanal 231 auf den gemeinsamen Schnittpunkt S aller Entladungskanäle 231 im Entladungsraum 3 ausgerichtet ist.
Wie man in 2, besonders deutlich aus der unteren Darstellung des Querschnitts der Hohlkatode 2 entlang der Ebene A-A, ersieht, sind – zur Verringerung der Ionenerosion der Metallwand 22 – Kühlkanäle 24 mittig zwischen den (vorzugsweise auf einer Kreislinie) gleichverteilt um die Symmetrieachse 13 angeordneten Einströmungskanälen 23 eingebracht.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung – die in 2 im unteren Querschnitt (entlang der Ebene A-A des oberen Axialschnittes B-B) gezeigt ist – sind die Kühlkanäle 24 paarweise zueinander parallel und schließen jeweils einen Einströmungskanal 23 entlang ihrer Mittellinie ein. Die so eingebrachten Kühlkanalpaare 241 kreuzen sich mehrfach, zum einen zwischen den Einströmungskanälen 23 und zum anderen innerhalb eines von den Einströmungskanälen 23 gebildeten Kreises, so dass im Innern des Kreises der Einströmungskanälen 23 geradezu ein Labyrinth von sich kreuzenden Abschnitten der Kühlkanäle 24 entsteht.
Unabhängig davon, ob sich die Kühlkanäle 24 als parallele Kühlkanalpaare 241 innerhalb einer Ebene schneiden (2) oder in verschiedenen Ebenen (nicht dargestellt) kreuzen oder als einzelne, z. B. in der Symmetrieachse 13, sich kreuzende Kühlkanäle 24 (3) zwischen den Einströmungskanälen 23 verlaufen, sind die Kühlkanäle 24 im wesentlichen radial ausgerichtet und an der Peripherie der Hohlkatode 2 mit einer halbkreisförmigen Kühlmittelzuführung 25 und einer halbkreisförmigen Kühlmittelabführung 26 verbunden, die einander symmetrisch gegenüberliegen.
In der speziellen Ausführung gemäß 2 sind die Kühlmittelzuführung 25 mittels einer zylindermantelförmigen Verbindungsnut 27 mit dem jeweils einen Ende der Kühlkanäle 24 und die Kühlmittelabführung 26 mit deren anderem Ende über eine symmetrisch zur Symmetrieachse 13 gegenüberliegende zylindermantelförmige Verbindungsnut 27 verbunden. Die Einbringung der Verbindungsnut 27 erfolgt vorzugsweise durch Einfräsen von der rückwärtigen Seite in die Hohlkatode 2.
Eine alternative Variante der Einbringung der Kühlkanäle 24 als sich kreuzende Einzelkanäle – wie in 3, unten, für die Ausführung eines Pseudofunkenschalters gezeigt – ist in äquivalenter Weise für die Hohlkatode 2 gemäß 2, oben, einsetzbar.
Zur Verbesserung der Kühlleistung kann die Hohlkatode 2 aus zwei unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sein, einem Katodengrundkörper 28 und einem Katodenkragen 29, wie sie in 2 oben im Axialschnitt zu erkennen sind. Dabei ist der Elektrodenkragen 29, der die Stromaustrittsfläche der Hohlkatode 2 zum Entladungsraum 3 darstellt, aus einem hochschmelzenden Material (z. B. Wolfram, Molybdän etc.) und der Katodengrundkörper 28, der vorzugsweise durch die Herstellungstechnologie des Hintergießens mit dem Katodenkragen 29 in feste Verbindung gebracht wird, aus einem sehr gut wärmeleitenden Material (z. B. Kupfer, Silber etc. oder Legierungen davon) gefertigt.
Die Kühlkanäle 24 verlaufen zweckmäßig innerhalb des Katodengrundkörpers 28, können aber auch (vorzugsweise zusätzlich) in den Katodenkragen 29 eingebracht sein.
3 zeigt eine Ausführung der Erfindung als Pseudofunkenschalter. Es gelten dabei alle grundsätzlichen Prinzipien und Ausformungen gemäß 1 und 2 allerdings mit Ausnahme der geöffneten Anodenform und der sich im Entladungsraum 3 kreuzenden Plasmakanäle 31.
Die Anode 1 ist in diesem Fall geschlossen gestaltet und kann als eine Art Topfform ausgebildet sein.
Die Einströmungskanäle 23 vom Katodenhohlraum 21 zum Entladungsraum 3 benötigen in diesem Fall keine Unterteilung in kollineare und konvergierende Abschnitte, sondern sind im Ganzen Entladungskanäle 231, da die Erzeugung einer konzentrierten heißen (strahlenden) Plasmasäule nicht erforderlich ist. Die Entladungskanäle sind vorzugsweise divergierend oder auch – wie in 3 oben gezeichnet – kollinear ausgeführt. Für eine divergente Ausrichtung kann es sich allerdings erforderlich machen, „dickere" kollineare Eingangsabschnitte 232 in die Metallwand 22 einzubringen, um von diesen ausgehend – nach außen abgewinkelt – die erforderlichen Verhältnisse von Durchmesser D und Länge L der Entladungskanäle 231 einzustellen. Eine entsprechend Wölbung der Metallwand 22 ist dann ebenfalls vorzusehen.

1: Anode
11: Anodeninnenraum
12: Anodenkühlsystem
13: Symmetrieachse
2: Hohlkatode
21: Katodenhohlraum
22: Metallwand
23: Einströmungskanal
231: Entladungskanal
232: Eingangsabschnitt
24: Kühlkanal
241: Kühlkanalpaare
25: Kühlmittelzuführung
26: Kühlmittelabführung
27: Verbindungsnut
28: Katodengrundkörper
29: Katodenkragen
3: Entladungsraum
31: Plasmakanal
4: Vorionisationseinheit
5: Vorionisationsimpulsgenerator
6: Hauptentladungsimpulsgenerator
7: Gasbereitstellungseinheit
8: Vakuumsystem
F: Fußpunkt
d: Dicke (der Metallwand)
D: Durchmesser (des Entladungskanals)
L: Länge (des Entladungskanals)
S: (gemeinsamer) Schnittpunkt

Claims

Anordnung zum Schalten großer elektrischer Ströme im Wege einer Gasentladung zur Erzeugung von EUV-Strahlung emittierendem Gasentladungsplasma, enthaltend eine Anode (1) und eine Katode (2), die beide rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse (13) hohl geformt sind und durch die im Innern der Anode (1) ein Entladungsraum gebildet ist, wobei die Katode (2) einen Katodenhohlraum (21) zur Vorionisation eines Arbeitsgases aufweist und der Katodenhohlraum (21) vom Entladungsraum (3) durch eine Metallwand (22) mit mehreren räumlich regelmäßig angeordneten Öffnungen zur Einströmung vorionisierten Arbeitsgases in den Entladungsraum (3) abgegrenzt ist, um durch die Öffnungen räumlich verteilte Fußpunkte (F) von Gasentladungspfaden für einen hohen Stromfluss durch den Entladungsraum (3) zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Metallwand (22) zwischen Katodenhohlraum (21) und Entladungsraum (3) eine Dicke von ≥ 1 cm aufweist, so dass die Öffnungen der Metallwand (22) zu Einströmungskanälen (23) entarten, deren Kanalenden zum Entladungsraum (3) auf einen gemeinsamen Schnittpunkt (S) im Entladungsraum (3) gerichtet sind, und – in die Metallwand (22) im Wesentlichen radial verlaufende Kühlkanäle (24) eingebracht sind, um durch eine effektive Kühlung eine Ionenerosion der Katode (2) zu verringern.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen der Einströmungskanäle (23) zum Entladungsraum (3) an der gewölbten Metallwand (22) auf mindestens einer konzentrisch entlang der Symmetrieachse (13) von Anode (1) und Hohlkatode (2) angeordneten Kreislinie gleichverteilt angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmungskanäle (23) in der Metallwand (22) mindestens innerhalb eines im gemeinsamen Schnittpunkt (S) konvergierenden Abschnitts, der einen in den Entladungsraum (3) einmündenden Entladungskanal (231) darstellt, einen einheitlichen, gegenüber der Länge (L) der Einströmungskanäle (23) wesentlich kleineren Durchmesser (D) aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmungskanäle (23) jeweils aus kollinearen Eingangsabschnitten (232) und im Entladungsraum (3) konvergierenden Entladungskanälen (231) zusammengefügt sind, wobei die kollinearen Eingangsabschnitte (232) vom Katodenhohlraum (21) ausgehen und in konvergierende Entladungskanäle (231) übergehen.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kollinearen Eingangsabschnitte (232), im Katodenhohlraum (21) beginnend, einen größeren Durchmesser als die konvergierenden Entladungskanäle (231) zum Entladungsraum (3) aufweisen, wobei nur die konvergierenden Entladungskanäle (231) mit einem definierten Verhältnis von Durchmesser (D) und Länge (L) ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Durchmesser (D) und Länge (L) der Entladungskanäle (231) zwischen 0,1 und 0,15 beträgt.
Anordnung zum Schalten großer elektrischer Ströme im Wege einer Gasentladung in Pseudofunkenschaltern, enthaltend eine Anode (1) und eine Katode (2), die beide rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse (13) hohl geformt sind und durch die im Innern der Anode (1) ein Entladungsraum (3) gebildet ist, wobei die Katode (2) einen Katodenhohlraum (21) zur Vorionisation eines Arbeitsgases aufweist und der Katodenhohlraum (21) vom Entladungsraum (3) durch eine Metallwand (22) mit mehreren räumlich regelmäßig angeordneten Öffnungen zur Einströmung vorionisierten Arbeitsgases in den Entladungsraum (3) abgegrenzt ist, um durch die Öffnungen räumlich verteilte Fußpunkte (F) von Gasentladungspfaden für einen hohen Stromfluss durch den Entladungsraum (3) zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Metallwand (22) zwischen Katodenhohlraum (21) und Entladungsraum (3) eine Dicke von ≥ 1 cm aufweist, so dass die Öffnungen der Metallwand (22) zu Einströmungskanälen (23) entarten, deren Kanalenden (231) zum Entladungsraum (3) kollinear bis divergent ausgerichtet sind, um die durch die Einströmungskanäle (23) im Entladungsraum (3) erzeugten Gasentladungspfade als streng gerichtete Plasmakanäle (31) räumlich zu verteilen, und – in der Metallwand (22) im Wesentlichen radial verlaufende Kühlkanäle (24) eingebracht sind, um durch effektive Kühlung die Ionenerosion der Metallwand (22) der Hohlkatode (2) zu verringern.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen der Einströmungskanäle (23) zum Entladungsraum (3) an der Metallwand (22) auf mindestens einer konzentrisch zur Symmetrieachse (13) von Anode (1) und Hohlkatode (2) angeordneten Kreislinie gleichverteilt angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmungskanäle (23) in der Metallwand (22) mindestens innerhalb eines definierten Abschnitts, der einen in den Entladungsraum (3) einmündenden Entladungskanal (231) darstellt, einen einheitlichen, gegenüber der Länge (L) wesentlich kleineren Durchmesser (D) aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmungskanäle (23) jeweils aus kollinearen Kanalabschnitten (232) und divergierenden Kanalabschnitten zusammengefügt sind, wobei die kollinearen Eingangsabschnitte (232) vom Katodenhohlraum (21) ausgehen und in zum Entladungsraum (3) hin divergierende Entladungskanäle (231) übergehen.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die im Katodenhohlraum (21) beginnenden kollinearen Eingangsabschnitte (232) einen größeren Durchmesser als die divergierenden Entladungskanäle (231) zum Entladungsraum (3) aufweisen, wobei nur die divergierenden Entladungskanäle (231) mit einem definierten Verhältnis von Durchmesser (D) und Länge (L) ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Durchmesser (D) und Länge (L) der Entladungskanäle (231) zwischen 0,1 und 0,15 beträgt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (24) jeweils mittig zwischen den Einströmungskanälen (23) angeordnet sind und sich in der Symmetrieachse (13) der Hohlkatode (2) kreuzen, wobei die Kühlmittelzuführung (25) und die Kühlmittelabführung (26) jeweils halbkreisförmig gegenüberliegend ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzuführung (25) und die Kühlmittelabführung (26) als gegenüberliegende, von der rückseitigen Katodenstirnfläche entlang einer Zylindermantelfläche ausgenommene Nuten (27) ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Einströmungskanal (23) für die Einströmung des ionisierten Arbeitsgases von paarweise symmetrisch angeordneten Kühlkanälen (24) eingeschlossen ist, wobei sich die Mittelachsen aller solcher Kühlkanalpaare (241) in der Symmetrieachse (13) der Hohlkatode (2) schneiden.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkatode (2) aus einem hochschmelzenden Metall gefertigt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkatode (2) aus einem Katodengrundkörper (28) und einem Elektrodenkragen (29) zusammengesetzt ist, wobei der Elektrodenkragen (29) aus dem hochschmelzenden Metall besteht und der Katodengrundkörper (28) aus einem Metall hoher thermischer Leitfähigkeit gefertigt ist.
Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass als hochschmelzendes Metall Wolfram oder Molybdän vorgesehen sind.
Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Katodengrundkörper (28) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.
Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche zwischen hoch wärmeleitendem Katodengrundkörper (28) und hochschmelzendem Elektrodenkragen (29) innerhalb der Metallwand (22) der Hohlkatode (2) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (24) innerhalb des Katodenkragens (29) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (24) innerhalb des Katodengrundkörpers (28) angeordnet sind.